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    如何设计指针式压力表的自动校准检定系统

    • 发表时间:2021-03-06
    • 来源:本站
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    1、系统设计原型
    基于国家检定规程对压力表的校准检定项目和校准检定流程的要求,通过各环节的自动化设计,搭建指针式压力表自动仪器校准检定系统,系统的基本构架如图1所示。

     指针式压力表自动校准检定系统构架

    (1)通过标准压力发生器实现压力自动控制,根据被检表量程和检定点的设置自动升压/降压至仪器校准检定点。
    (2)通过工业照相机自动拍摄仪表表盘,应用后台图像识别程序自动识别仪表示值读数。
    (3)通过PLC控制器驱动轻敲装置,模拟人工轻敲表壳的动作。
    (4)通过后台软件实现对仪器校准检定数据的自动处理以及对仪器校准检定流程的全面控制。
     
    2、压力输出单元设计
    压力输出单元的核心为自动标准压力发生器,由高精度压力传感器、压力控制单元、信号处理反馈单元、显示输出通讯单元、压力管路分配器、壳体结构等组成,工作原理如图2所示。压力发生器控制电磁阀,将压力系统中的输出压力调整至设定目标压力的控制保持极限范围,并且继续主动将压力控制在目标值附近。压力输出单元的集成可以直接选择市场上成熟的模块化压力控制器配以满足要求的标准压力传感器模块和压力源,FLUKE、GE、康斯特等主要厂商可以提供成套的产品解决方案。

     自动标准压力发生器工作原理图

    3、机器视觉自动检测单元设计
    机器视觉自动检测单元设计主要包括:照明设计、镜头选型、相机选型和视觉识别算法开发等几个方面。
     
    3.1、照明设计
    照明是影响视觉检测系统输入的重要因素,直接影响输入数据的质量和应用效果。目前主流的光源包括:环形光源、背光源、条形光源、同轴光源等,通过实验表明条形光源是适合仪表检测的最佳光源,在条形光源下采集的图像需要检测的目标特征与需要忽略的图像特征对比度大,易于算法检测;亮度也可以达到足够的亮;鲁棒性也较好,条形光源的安装位置和角度的适应性都比较好。
     
    3.2、镜头选型
    镜头的选择主要注意一下几点:焦距、目标高度、影像高度、放大倍数等,为了减少物距变化对采集图像的影响,系统选择远心镜头。
     
    3.3、相机选型
    按照不同标准,相机可分为标准分辨率数字相机和模拟相机;根据不同的应用场景相机又分为线扫描相机和面阵相机。结合仪器校准检定工作环境,推荐选择面阵的CCD相机。根据表盘的检测精度选择相机的分辨率:相机像素精度=单方向视野范围大小/相机单方向分辨率。则相机单方向分辨率=单方向视野范围大小/理论精度。譬如:若单视野为5mm长,理论精度为0.02mm,则单方向分辨率为250。然而为增加系统稳定性,不会只用一个像素单位对应一个测量/观察精度值,可以选择倍数4或更高。
     
    3.4、视觉识别算法
    算法设计的基本流程为:图像预处理、获取感兴趣区域、目标检测和识别、后处理、结果判定。首先,对输入图像进行预处理(如去噪、增强及旋转矫正),得到的图像利于后续检测和识别;然后,获取预处理后图像的局部感兴趣区域,在局部感兴趣区域图像上执行检测算法。根据仪器校准检定要求,需视觉识别主要为表盘量程和指针读数
     
    (1)表盘量程识别压力表量程检测重点在于能够准确检测或计算出满量程位置的数值。提取出满量程位置图像后,采用基于深度学习的数字识别方法对满量程值进行识别,具体步骤如下:①检测数字区域;②对数字进行分割,得到单个数字;③采用基于深度学习的数字识别算法,识别出单个数字;④将单个数字进行后处理、拼接,得到满量程数值。考虑到可能有遮挡、脏污、模糊等因素的干扰,在检测过程中可增加一处感兴趣区域,如量程中间区域,检测出量程中间值的示数,通过计算得到最大量程。
     
    (2)指针读数识别获取压力表读数有两种方式,通过两种方式计算出示数值后,可对二者进行结果融合,得到最终读数。方法1:检测出指针指向位置,通过计算其与满量程的占比计算出示数值,具体如下:①检测指针并对其直线拟合;②计算指针相对于零点的旋转角度;③计算指针旋转角相对满量程角度的占比;④按比例计算出示数值。方法2:检测出指针指向位置和表盘刻度,根据指针落在表盘刻线的区间计算示数值。
     
    4、轻敲模拟单元设计
    采用PLC控制器控制微型电机,由微型电机驱动轻敲小锤,模拟人手的轻敲动作。使用PVC锤头,保证敲击接近手感。软件发送一个指令,即完成一组敲击,一组敲击次数及频率可配置修改。

     压力表自动校准检定系统软件构架图

    5、后台软件设计
    依据仪器校准检定规程设计后台管理软件,软件的构架如图3所示。通过相关功能模块的设计,实现对整个仪器校准检定过程是自动化控制和数字化管理。

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